交換機的工作原理詳細介紹

　　交換機的工作原理：

　　交換機根據收到數據幀中的源MAC地址建立該地址同交換機端口的映射，並將其寫入MAC地址表中。

　　交換機將數據幀中的目的MAC地址同已建立的MAC地址表進行比較，以決定由哪個端口進行轉發。

　　如數據幀中的目的MAC地址不在MAC地址表中，則向所有端口轉發。這一過程稱之為泛洪(flood)。

　　廣播幀和組播幀向所有的端口轉發。

　　交換機的三個主要功能：

　　學習：以太網交換機了解每一端口相連設備的MAC地址，並將地址同相應的端口映射起來存放在交換機緩存中的MAC地址表中。

　　轉發/過濾：當一個數據幀的目的地址在MAC地址表中有映射時，它被轉發到連接目的節點的端口而不是所有端口(如該數據幀為廣播/組播幀則轉發至所有端口)。

　　消除回路：當交換機包括一個冗余回路時，以太網交換機通過生成樹協議避免回路的產生，同時允許存在後備路徑。

　　交換機的工作特性：

　　交換機的每一個端口所連接的網段都是一個獨立的沖突域。

　　交換機所連接的設備仍然在同一個廣播域內，也就是說，交換機不隔絕廣播(唯一的例外是在配有VLAN的環境中)。

　　交換機依據幀頭的信息進行轉發，因此說交換機是工作在數據鏈路層的網絡設備

　　交換機的分類：

　　依照交換機處理幀的不同的操作模式，主要可分為兩類。

　　存儲轉發：交換機在轉發之前必須接收整個幀，並進行檢錯，如無錯誤再將這一幀發向目的地址。幀通過交換機的轉發時延隨幀長度的不同而變化。

　　直通式：交換機只要檢查到幀頭中所包含的目的地址就立即轉發該幀，而無需等待幀全部的被接收，也不進行錯誤校驗。由於以太網幀頭的長度總是固定的，因此幀通過交換機的轉發時延也保持不變。

　　注意：

　　直通式的轉發速度大大快於存儲轉發模式，但可靠性要差一些，因為可能轉發沖突 幀或帶CRC錯誤的幀。

　　生成樹協議

　　消除回路：

　　在由交換機構成的交換網絡中通常設計有冗余鏈路和設備。這種設計的目的是防止一個點的失敗導致整個網絡功能的丟失。雖然冗余設計可能消除的單點失敗問題，但也導致了交換回路的產生，它會導致以下問題。

　　廣播風暴

　　同一幀的多份拷貝

　　不穩定的MAC地址表

　　因此，在交換網絡中必須有一個機制來阻止回路，而生成樹協議(Spanning Tree Protocol)的作用正在於此。

　　生成樹的工作原理：

　　生成樹協議的國際標准是IEEE802.1b。運行生成樹算法的網橋/交換機在規定的間隔(默認2秒)內通過網橋協議數據單元(BPDU)的組播幀與其他交換機交換配置信息，其工作的過程如下：

　　通過比較網橋優先級選取根網橋(給定廣播域內只有一個根網橋)。

　　其余的非根網橋只有一個通向根交換機的端口稱為根端口。

　　每個網段只有一個轉發端口。

　　根交換機所有的連接端口均為轉發端口。

　　注意：生成樹協議在交換機上一般是默認開啟的，不經人工干預即可正常工作。但這種自動生成的方案可能導致數據傳輸的路徑並非最優化。因此，可以通過人工設置網橋優先級的方法影響生成樹的生成結果。

　　生成樹的狀態：

　　運行生成樹協議的交換機上的端口，總是處於下面四個狀態中的一個。在正常操作 期間，端口處於轉發或阻塞狀態。當設備識別網絡拓撲結構變化時，交換機自動進行狀態轉換，在這期間端口暫時處於監聽和學習狀態。

　　阻塞：所有端口以阻塞狀態啟動以防止回路。由生成樹確定哪個端口轉換到轉發狀態，處於阻塞狀態的端口不轉發數據但可接受BPDU。

　　監聽：不轉發，檢測BPDU，(臨時狀態)。

　　學習：不轉發，學習MAC地址表(臨時狀態)。

　　轉發：端口能轉送和接受數據。

　　小知識：實際上，在真正使用交換機時還可能出現一種特殊的端口狀態-Disable狀態。這是由於端口故障或由於錯誤的交換機配置而導致數據沖突造成的死鎖狀態。如果並非是端口故障的原因，我們可以通過交換機重啟來解決這一問題。

　　生成樹的重計算：

　　當網絡的拓撲結構發生改變時，生成樹協議重新計算，以生成新的生成樹結構。當所有交換機的端口狀態變為轉發或阻塞時，意味著重新計算完畢。這種狀態稱為會聚(Convergence)。

　　注意：在網絡拓撲結構改變期間，設備直到生成樹會聚才能進行通信，這可能會對 某些應用產生影響，因此一般認為可以使生成樹運行良好的交換網絡，不應該超過七層。此外可以通過一些特殊的交換機技術加快會聚的時間。